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高速PCB設(shè)計(jì)中的串?dāng)_分析與控制研究

日期:2024-09-19 04:11
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摘要:中心論題: 1、分析串?dāng)_信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理 2、分析串?dāng)_的幾個(gè)重要特性 3、說明在PCB設(shè)計(jì)時(shí)如何控制串?dāng)_ 解決方案: 將串?dāng)_控制在可容忍范圍 在電流流向、信號(hào)源與邊緣翻轉(zhuǎn)速率、線間距P與兩線平行長(zhǎng)度L、地平面等方面控制串?dāng)_。 當(dāng)今飛速發(fā)展的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域,高速化和小型化已經(jīng)成為一種趨勢(shì),如何在縮小電子系統(tǒng)體積的同時(shí),保持并提高系統(tǒng)的速度與性能成為擺在設(shè)計(jì)者面前的一個(gè)重要課題。EDA技術(shù)已經(jīng)研發(fā)出一整套高速PCB和電路板級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析工具和方法學(xué),這些技術(shù)涵蓋高速電路設(shè)計(jì)分析的方方...
中心論題:

1、分析串?dāng)_信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理

2、分析串?dāng)_的幾個(gè)重要特性

3、說明在PCB設(shè)計(jì)時(shí)如何控制串?dāng)_



解決方案:

將串?dāng)_控制在可容忍范圍

在電流流向、信號(hào)源與邊緣翻轉(zhuǎn)速率、線間距P與兩線平行長(zhǎng)度L、地平面等方面控制串?dāng)_。

當(dāng)今飛速發(fā)展的電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域,高速化和小型化已經(jīng)成為一種趨勢(shì),如何在縮小電子系統(tǒng)體積的同時(shí),保持并提高系統(tǒng)的速度與性能成為擺在設(shè)計(jì)者面前的一個(gè)重要課題。EDA技術(shù)已經(jīng)研發(fā)出一整套高速PCB和電路板級(jí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析工具和方法學(xué),這些技術(shù)涵蓋高速電路設(shè)計(jì)分析的方方面面:靜態(tài)時(shí)序分析、信號(hào)完整性分析、EMI/EMC設(shè)計(jì)、地彈反射分析、功率分析以及高速布線器。同時(shí)還包括信號(hào)完整性驗(yàn)證和Sign-Off,設(shè)計(jì)空間探測(cè)、互聯(lián)規(guī)劃、電氣規(guī)則約束的互聯(lián)綜合,以及專家系統(tǒng)等技術(shù)方法的提出也為高效率更好地解決信號(hào)完整性問題提供了可能。這里將討論分析信號(hào)完整性問題中的信號(hào)串?dāng)_及其控制的方法。

串?dāng)_信號(hào)產(chǎn)生的機(jī)理:


串?dāng)_是指一個(gè)信號(hào)在傳輸通道上傳輸時(shí),因電磁耦合而對(duì)相鄰的傳輸線產(chǎn)生不期望的影響,在被 干擾信號(hào)表現(xiàn)為被注入了一定的耦合電壓和耦合電流。過大的串?dāng)_可能引起電路的誤觸發(fā),導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。如圖1的電路,AB之間的門電路稱為干擾源網(wǎng)絡(luò)(Aggressor Line),CD之間的門電路稱為被 干擾源網(wǎng)絡(luò)(Victim Line)。只要干擾源一改變狀態(tài),我們就可以觀察到受害源處的脈沖串?dāng)_。

 
圖1 串?dāng)_的干擾源網(wǎng)絡(luò)和被 干擾網(wǎng)絡(luò)


信號(hào)在傳輸通道上傳輸對(duì)相鄰的傳輸線上引起兩類不同的噪聲信號(hào):容性耦合信號(hào)與感性耦合信號(hào),如圖2、圖3所示。容性耦合是由于干擾源(Aggressor)上的電壓(Vs)變化在被 干擾對(duì)象(Victim)上引起感應(yīng)電流(i)通過互容Cm而導(dǎo)致的電磁干擾,而感性耦合則是由于干擾源上的電流(Is)變化產(chǎn)生的磁場(chǎng)在被 干擾對(duì)象上引起感應(yīng)電壓(V)通過互感(Lm)而導(dǎo)致的電磁干擾。

 
圖2 電容耦合示意圖


 
圖3 電感耦合示意圖



串?dāng)_的幾個(gè)重要特性分析


a 電流流向?qū)Υ當(dāng)_的影響
串?dāng)_是具有方向的,其波形是電流方向的函數(shù),這里我們來看兩種情況下的信號(hào)仿真。**種情況是干擾源線網(wǎng)與被  干擾對(duì)象線網(wǎng)的電流流向相同,**種情況是干擾源線網(wǎng)與被  干擾對(duì)象線網(wǎng)的電流流向相反(即位于B點(diǎn)的為驅(qū)動(dòng)源,而位于A點(diǎn)的為負(fù)載)。AB和CD線網(wǎng)都加入20MHz的信號(hào),表1給出了遠(yuǎn)端D點(diǎn)的串?dāng)_峰值,串?dāng)_的波形仿真結(jié)果如圖4所示。

 
表1 電流流向不同時(shí)的串?dāng)_峰值



由仿真結(jié)果可知,電流流向?yàn)榉聪驎r(shí)的遠(yuǎn)端串?dāng)_峰值(357.6mm)要大于電流流向?yàn)橥驎r(shí)的遠(yuǎn)端口串?dāng)_峰值(260.5)。同時(shí)由圖4可以看到,當(dāng)干擾源的電流流向改變后,被  干擾源的串?dāng)_極性也改變了。這說明串?dāng)_的大小和極性與相應(yīng)干擾源上信號(hào)的電流流向有關(guān)的。

 
(a)電流為同向時(shí)的串?dāng)_波形

 
(b)電流為反向時(shí)的串?dāng)_波形
圖4 電流流向?qū)Ψ逯档挠绊?/span>


遠(yuǎn)端D點(diǎn)串?dāng)_一般大于近端C點(diǎn)串?dāng)_,因此在串?dāng)_抑制中,D點(diǎn)的遠(yuǎn)端串?dāng)_通常被作為考察線網(wǎng)峰值串?dāng)_電壓大小的重點(diǎn)考慮的因素。

b 信號(hào)源頻率與邊緣翻轉(zhuǎn)速率
干擾源信號(hào)頻率越高,被  干擾對(duì)象上的串?dāng)_幅值越大,我們對(duì)圖1中干擾源網(wǎng)絡(luò)AB上的信號(hào)頻率f1分別取不同頻率值時(shí),對(duì)被  干擾對(duì)象上的串?dāng)_進(jìn)行了仿真,仿真結(jié)果見表2,信號(hào)頻率不同時(shí)的串?dāng)_波形見圖5,標(biāo)記為“1”、“2”箭頭所指的波形頻率分別為“500MHz”、“100MHz”。


表2 干擾源頻率取不同值時(shí)的串?dāng)_峰值


 
由仿真結(jié)果可見,被  干擾對(duì)象上的串?dāng)_電壓與干擾源信號(hào)的頻率取值成正比,當(dāng)干擾源頻率大100MHz時(shí),必須采取必要的措施來抑制串?dāng)_。同時(shí),由圖5還可以看出,當(dāng)干擾源頻率大到500MHz時(shí)的波形,明顯看出被  干擾對(duì)象的近端C點(diǎn)的串?dāng)_已經(jīng)大于其遠(yuǎn)端D點(diǎn)的串?dāng)_,這說明此時(shí)容性耦合已經(jīng)超過感性耦合而成為主要的干擾因素,這種情況下不但要處理好遠(yuǎn)端串?dāng)_,而且需要謹(jǐn)慎處理經(jīng)常容易被忽略的近端串?dāng)_。

另外,我們來分析另一項(xiàng)對(duì)串?dāng)_影響極大的因素,它就是信號(hào)的邊緣翻轉(zhuǎn)速率,在數(shù)字電路中,除了信號(hào)頻率對(duì)串?dāng)_有較大影響外,信號(hào)的邊緣翻轉(zhuǎn)速率(上升沿和下降沿)對(duì)串?dāng)_的影響更大,邊沿變化越快,串?dāng)_越大。由于在現(xiàn)代高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)中,具有較大的邊緣翻轉(zhuǎn)速率的器件的應(yīng)用越來越廣泛,因此對(duì)于這類器件,即使其信號(hào)頻率不高,在布線時(shí)也應(yīng)認(rèn)真對(duì)待以防止過大的串?dāng)_產(chǎn)生。

 
(a)被  干擾對(duì)象的還端串?dāng)_波形

 
(b)被  干擾對(duì)象的遠(yuǎn)端串?dāng)_波形

圖5 信號(hào)頻率不同時(shí)的串?dāng)_波形

 
(a)被  干擾對(duì)象的近端串?dāng)_波形
 
(b)被  干擾對(duì)象的遠(yuǎn)端串?dāng)_波形

圖6 為兩線間距P和平行長(zhǎng)度L取不同值時(shí)串?dāng)_波形

c 線間距P與兩線平行長(zhǎng)度L對(duì)串?dāng)_大小的影響
對(duì)于圖1所示的兩線系統(tǒng),我們進(jìn)行了三種情況的仿真(線網(wǎng)AB上的信號(hào)頻率均為100MHz)仿真結(jié)果見表3,及圖6.:**種情況是在兩線間距和平行長(zhǎng)度不變的條件下,探測(cè)被  干擾對(duì)象的串?dāng)_(標(biāo)記“1”);**種情況是在兩線平行長(zhǎng)度不變的前提下,將兩線間距增加到10mils,然后探測(cè)被  干擾對(duì)象的串?dāng)_標(biāo)記“2”;第三種情況是在兩線間距不變的條件下,將兩線的平行長(zhǎng)度增加到2.6inches標(biāo)記“3”,然后探測(cè)被  干擾對(duì)象的串?dāng)_。由仿真結(jié)果可見,當(dāng)兩線的間距拉大時(shí)(P由5mils變?yōu)?0mils),串?dāng)_明顯地減小了,而當(dāng)兩線的平行長(zhǎng)度加長(zhǎng)時(shí)(L由1.3inches變?yōu)?.6inches),串?dāng)_顯著增大了。

由此可知,串?dāng)_電壓的大小與兩線的間距成反比,而與兩線的平行長(zhǎng)度成正比,但卻不是完全的倍數(shù)關(guān)系。當(dāng)布線空間較小或布線密度較大時(shí),在實(shí)際高速電路中進(jìn)行布線時(shí),為防止高頻信號(hào)線對(duì)與其相鄰的信號(hào)線的串?dāng)_可能會(huì)導(dǎo)致門級(jí)的誤觸發(fā),在布線資源允許的條件下,應(yīng)近可能地拉開線間距(差分線除外)并減小兩根或多根信號(hào)線的平行長(zhǎng)度,必要時(shí)可采用固定*大平行長(zhǎng)度推擠的布線方式(也稱jog式走線),這樣既可以節(jié)省緊張的布線資源,又可以有效地抑制串?dāng)_,走線示意圖如圖7所示。

 
圖7 jog式走線

表3 兩線間距P和平行長(zhǎng)度L取不同值時(shí)的串?dāng)_峰值
 


d 地平面對(duì)串?dāng)_的影響
多層PCB板一般都包括若干個(gè)信號(hào)層和若干個(gè)電源層,多個(gè)信號(hào)層和電源層是通過疊放順序來構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)的微帶傳輸線和帶狀傳輸線。與微帶傳輸線和帶狀傳輸線相鄰的一般都有一個(gè)電源平面,相應(yīng)信號(hào)層與電源層之間是用電介質(zhì)填充的。這個(gè)電介質(zhì)層的厚度是影響傳輸線特性阻抗的重要因素,當(dāng)它變厚時(shí),傳輸線特性阻抗變大,當(dāng)它變薄時(shí),傳輸線特性阻抗變小。

傳輸線與地平面之間的電介質(zhì)層的厚度對(duì)串?dāng)_的影響很大,對(duì)于同一布線結(jié)構(gòu),當(dāng)電介質(zhì)層的厚度增大一倍時(shí),串?dāng)_明顯加大。同時(shí),對(duì)于同樣的電介質(zhì)層厚度,帶狀傳輸線的串?dāng)_要小于微帶傳輸線的串?dāng)_,由此可知,地平面對(duì)不同結(jié)構(gòu)的傳輸線的影響也是不同的。因此在高速PCB布線時(shí),使用帶狀傳輸線比使用微帶傳獲得更好的串?dāng)_抑制效果。

串?dāng)_的控制
要消除串?dāng)_是不可能的,我們只能將串?dāng)_控制在可以容忍的范圍內(nèi)。因此我們?cè)谶M(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)可以采取下列辦法:

①如果布線空間允許的話,增加線與線之間的間距;②計(jì)疊層時(shí),在滿足阻抗要求的條件下,減少信號(hào)層與地層之間的高度;③把關(guān)鍵的高速信號(hào)設(shè)計(jì)成差分線對(duì),如高速系統(tǒng)時(shí)鐘;④如果兩個(gè)信號(hào)層是鄰近的,布線時(shí)按正交方向進(jìn)行布線,以減少層與層之間的耦合;⑤將高速信號(hào)線設(shè)計(jì)成帶狀線或嵌入式微帶線;⑥走線時(shí),減少并行線長(zhǎng)度,可以以jog方式布線;⑦在滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的情況下,盡量使用低速器件。

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